一種納米碳管改性導電聚碳酸酯及其製備方法與流程

2023-11-02 21:03:32 2

本發明涉及一種改性聚碳酸酯，具體涉及一種納米碳管改性導電聚碳酸酯，屬於高分子材料技術領域。

技術背景

聚碳酸酯(簡稱pc)是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據酯基的結構可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類型。聚碳酸酯是一種強韌的熱塑性樹脂，可由雙酚a和氧氯化碳(cocl2)合成。pc是一種線型碳酸聚酯，分子中碳酸基團與另一些基團交替排列，這些基團可以是芳香族，可以是脂肪族，也可兩者皆有。雙酚a型pc是最重要的工業產品。pc是幾乎無色的玻璃態的無定形聚合物，有很好的光學性。pc高分子量樹脂有很高的韌性，懸臂梁缺口衝擊強度為600～900j/m，樹脂可加工製成大的剛性製品。低於100℃時，在負載下的蠕變率很低。pc耐水解性差，不能用於重複經受高壓蒸汽的製品。pc主要性能缺陷是耐水解穩定性不夠高，對缺口敏感，耐有機化學品性，耐刮痕性較差，長期暴露於紫外線中會發黃。和其他樹脂一樣，pc容易受某些有機溶劑的侵蝕。pc材料具有阻燃性、耐磨性及抗氧化性。

中國發明專利(申請號為201010611811)公開了一種高性能導電聚碳酸酯材料及其製備方法。該專利通過選用聚碳酸酯材料和碳納米管，同時加入增韌劑等使聚碳酸酯材料具有較高的彎曲模量、拉伸強度和衝擊強度以及優異的導電性能。但通過該專利所述組成和方法獲得的改性聚碳酸酯材料剛性不足，同時由於碳納米管的特殊性，單單加入到聚碳酸酯材料中並不能獲得很好的分散效果，其導電性能並不能完全體現，也使得此種聚碳酸酯材料的應用領域很窄。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術中存在的上述問題，提出了一種利用納米碳管改性導電聚碳酸酯。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：一種納米碳管改性導電聚碳酸酯，包括以下按重量份數計的組分：聚碳酸酯：70-80份，納米碳管：10-15份，導電炭黑：0.5-1份，納米高嶺土：0.4-0.8份，改性空心玻璃微珠：0.5-1份，抗氧劑：0.4-0.8份，潤滑劑：1-2份，相容劑：5-10份。

與普通聚碳酸酯相比，本發明的納米碳管改性導電聚碳酸酯不僅在導電性能上有了極大的提升，且由於加入了納米高嶺土和改性玻璃微珠，改性玻璃微珠能夠使納米高嶺土作為填料的流動性能增加，同時發揮其複合性能的作用，增加導電性能的同時具有高強度和高剛性。

再者，本發明納米碳管改性聚碳酸酯材料中添加了納米碳管(cnt)，為管狀的納米級石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角捲曲而成的無縫納米級管，每層的c是sp2雜化，形成六邊形平面的圓柱面。碳納米管具有極高的強度、韌性，同時具有獨特的導電性、很高的熱穩定性和本徵遷移率。本發明在添加碳鈉米管的同時還添加了導電炭黑，與基體聚碳酸酯形成三者的三維複合網絡，提高納米碳管在聚碳酸酯材料中的分散性，從而大大提高改性聚碳酸酯材料的導電性能。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料中，所述納米碳管為單壁納米碳管。本發明採用的單壁碳納米管，是由單層圓柱形石墨層構成，其直徑大小的分布範圍小、缺陷少，而且其電容量遠遠大於多壁碳納米管。所以在本發明中加入單壁碳納米管能大幅提高聚碳酸酯材料的導電性能。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料中，所述導電炭黑粒徑為20-25nm。碳黑本身是半導體材料，導電碳黑具有較低的電阻率，能夠使橡膠或塑料具有一定的導電性能。在本發明中，通過加入導電炭黑，使得到的改性聚碳酸酯材料導電性能增強。同時，該改性聚碳酸酯材料中納米碳管與導電炭黑的重量份數比為10-30:1。在該比例範圍內，炭黑顆粒可大大促進碳納米管在聚碳酸酯材料中的分散，同時三者形成三維複合網絡，增加了活性物質的相互接觸，有效提高了該改性聚碳酸酯材料的導電性能。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料中，所述納米高嶺土的長徑比為15-20:1。納米高嶺土是指高嶺土原礦用破碎機進行粗、中碎以後，採用衝擊磨進行一段超細粉碎，然後煅燒和氣流超細粉碎等工藝精製而成的粉末高嶺土。納米高嶺土作為改性塑料的增強、增韌及耐老化劑，在本發明中加入納米高嶺土，能使得到的改性聚碳酸酯材料兼具高強度、硬度，且耐老化。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料中，所述改性空心玻璃微珠為表面鍍導電顆粒的空心玻璃微珠。空心玻璃微珠是一種經過特殊處理的玻璃微珠，是一種微米級新型輕質材料，其主要成分是硼矽酸鹽，空心玻璃微珠是微小的球體，球型率大，具有滾珠軸承效應，能提高流動性，能降低混合物的黏度和內應力。且其具有質輕、低導熱、強度高和良好的化學穩定性等優點。在本發明中，通過加入空心玻璃微珠，可對聚碳酸酯材料的綜合力學性能進行改性，使其同時充當了改善加工流動性的固體潤滑劑，能防止潤滑不足和局部熱分解，更容易擠出。

作為優選，所述導電顆粒為黑磷、銅中的一種或兩種。黑磷是用白磷在很高壓強和較高溫度下轉化而形成的，黑磷具有類似石墨的片狀結構(波形層狀結構),層之間的鍵合比層內的鍵合弱，與石墨相似，具有導電性。銅具有優良的導電性，一般用於電線中。在本發明空心玻璃微珠中鍍上導電顆粒，能夠使得到的改性空心玻璃微珠在其原有的性能基礎上還含有導電的性能，在本發明中能使得到的改性聚碳酸酯材料導電性能進一步增強。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料中，所述相容劑為溴化聚丙烯、一乙醇胺中的一種或兩種。上述相容劑能分別和聚碳酸酯及納米碳管中的石墨相容，從而使聚碳酸酯與納米碳管的混合體系在該相容劑的作用下形成穩定的混合物。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料中，所述抗氧劑為抗氧劑1010、抗氧劑168中的一種或兩者。上述種類的抗氧劑能顯著改善聚碳酸酯材料的老化性能，為其在製作及使用過程中提供更好的老化保護，進而提高該聚碳酸酯材料的使用壽命。

在上述的一種高強度高剛性石墨烯改性聚丙烯材料中，所述潤滑劑為硬脂酸鈣、矽酮粉、低分子聚乙烯蠟中一種或幾種。潤滑劑的加入能有效降低聚碳酸酯材料加工過程中所出現的高剪切力和高摩擦力，改善改性聚碳酸酯材料，避免聚合物高溫受熱分解和產品質量的下降。

本發明的另一個目的在於提供一種上述納米碳管改性聚碳酸酯材料的製備方法，所述的製備方法包括如下步驟:

按上述重量份數稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，加入到混料機中混合均勻，將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入脫模劑，得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料的製備方法中，所述混合時間為5-10min。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料的製備方法中，所述混料機的設定轉速為300-600rpm/min。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料的製備方法中，所述雙螺杆擠出機選用強剪切的螺杆組合。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料的製備方法中，加入的脫模劑的質量為改性聚碳酸酯材料的0.01％-0.03％。脫模劑是一種介於模具和成品之間的功能性物質。脫模劑有耐化學性，在與不同樹脂的化學成份(特別是苯乙烯和胺類)接觸時不被溶解。脫模劑還具有耐熱及應力性能，不易分解或磨損。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料的製備方法中，所述脫模劑為矽油、聚乙二醇、低分子量聚乙烯中的一種或多種。

在上述的一種納米碳管改性導電聚碳酸酯材料的製備方法中，所述雙螺杆擠出機的主機轉速25-35hz，主餵料15-25hz，側餵料8-18hz，溫度設定為230-250℃。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

1、本發明在聚碳酸酯材料的基礎上，加入了納米碳管和導電炭黑，能形成三者的三維複合網絡，提高納米碳管在聚碳酸酯材料中的分散性，從而大大提高改性聚碳酸酯材料的導電性能。

2、本發明的納米碳管改性導電聚碳酸酯不僅在導電性能上有了極大的提升，且由於加入了納米高嶺土和改性玻璃微珠，改性玻璃微珠能夠使納米高嶺土作為填料的流動性能增加，同時發揮其複合性能的作用，增加導電性能的同時具有高強度和高剛性。

3、本發明納米碳管改性聚碳酸酯材料成分配置合理，同時採用了特定的製備方法，並在製備過程中加入脫模劑，使得到的聚碳酸酯材料具有高導電性，同時兼具高強度和高剛性。

具體實施方式

以下是本發明的具體實施例，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明並不限於這些實施例。

表1：本發明實施例1-5納米碳管改性聚碳酸酯材料的組成成分及其重量份

實施例1：

按表1中實施例1稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為20nm，納米高嶺土的長徑比為15:1，改性空心玻璃微珠表面鍍銅。

將上述組分加入到混料機中混合5min，混料機的轉速為300rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.01％的脫模劑，脫模劑選用矽油，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速25hz，主餵料15hz，側餵料8hz，溫度設定為230℃。

實施例2：

按表1中實施例2稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為20.5nm，納米高嶺土的長徑比為15.5:1，改性空心玻璃微珠表面鍍黑鱗。

將上述組分加入到混料機中混合5.5min，混料機的轉速為330rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.012％的脫模劑，脫模劑選用矽油，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速26hz，主餵料16hz，側餵料9hz，溫度設定為232℃。

實施例3：

按表1中實施例3稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為21nm，納米高嶺土的長徑比為16:1，改性空心玻璃微珠表面鍍銅。

將上述組分加入到混料機中混合6min，混料機的轉速為360rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.014％的脫模劑，脫模劑選用聚乙二醇，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速27hz，主餵料17hz，側餵料10hz，溫度設定為234℃。

實施例4：

按表1中實施例4稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為21.5nm，納米高嶺土的長徑比為16.5:1，改性空心玻璃微珠表面鍍銅和黑鱗。

將上述組分加入到混料機中混合6.5min，混料機的轉速為390rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.016％的脫模劑，脫模劑選用低分子量聚乙烯，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速28hz，主餵料18hz，側餵料11hz，溫度設定為236℃。

實施例5：

按表1中實施例5稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為22nm，納米高嶺土的長徑比為17:1，改性空心玻璃微珠表面鍍銅。

將上述組分加入到混料機中混合7min，混料機的轉速為420rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.018％的脫模劑，脫模劑選用矽油和聚乙二醇，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速29hz，主餵料19hz，側餵料12hz，溫度設定為238℃。

表2：本發明實施例6-10納米碳管改性聚碳酸酯材料的組成成分及其重量份

實施例6：

按表2中實施例6稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為22.5nm，納米高嶺土的長徑比為17.5:1，改性空心玻璃微珠表面鍍銅和黑鱗。

將上述組分加入到混料機中混合7.5min，混料機的轉速為450rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.02％的脫模劑，脫模劑選用矽油、聚乙二醇和低分子量聚乙烯，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速30hz，主餵料20hz，側餵料13hz，溫度設定為240℃。

實施例7：

按表2中實施例7稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為23nm，納米高嶺土的長徑比為18:1，改性空心玻璃微珠表面鍍銅。

將上述組分加入到混料機中混合8min，混料機的轉速為480rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.022％的脫模劑，脫模劑選用低分子量聚乙烯，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速31hz，主餵料21hz，側餵料14hz，溫度設定為242℃。

實施例8：

按表2中實施例8稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為23.5nm，納米高嶺土的長徑比為18.5:1，改性空心玻璃微珠表面鍍黑鱗。

將上述組分加入到混料機中混合8.5min，混料機的轉速為510rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.024％的脫模劑，脫模劑選用聚乙二醇，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速32hz，主餵料22hz，側餵料15hz，溫度設定為244℃。

實施例9：

按表2中實施例9稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為24.5nm，納米高嶺土的長徑比為19:1，改性空心玻璃微珠表面鍍銅。

將上述組分加入到混料機中混合9min，混料機的轉速為560rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.027％的脫模劑，脫模劑選用聚乙二醇和低分子量聚乙烯，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速34hz，主餵料23hz，側餵料17hz，溫度設定為247℃。

實施例10：

按表2中實施例10稱取納米碳管改性聚碳酸酯材料的組分，其中納米碳管為單壁納米碳管，導電炭黑粒徑為25nm，納米高嶺土的長徑比為20:1，改性空心玻璃微珠表面鍍黑鱗和銅。

將上述組分加入到混料機中混合10min，混料機的轉速為600rpm/min。將混合均勻後的物料倒入雙螺杆擠出機中擠出造粒，造粒的同時加入質量為聚碳酸酯材料0.03％的脫模劑，脫模劑選用矽油、聚乙二醇和低分子量聚乙烯，擠出得納米碳管改性聚碳酸酯粒料。其中雙螺杆擠出機為強剪切的螺杆組合，其主機轉速35hz，主餵料25hz，側餵料18hz，溫度設定為250℃。

對比例1：

選取市售聚碳酸酯材料採用如實施例1中所述的方法製成聚碳酸酯粒料。

對比例2：

與實施例1的區別僅在於，該對比例改性聚碳酸酯材料中不含有納米碳管，其他與實施例1相同，此處不再累述。

對比例3：

與實施例1的區別僅在於，該對比例改性聚碳酸酯材料中不含有導電炭黑，其他與實施例1相同，此處不再累述。

對比例4：

與實施例1的區別僅在於，該對比例改性聚碳酸酯材料中不含有納米高嶺土，其他與實施例1相同，此處不再累述。

對比例5：

與實施例1的區別僅在於，該對比例改性聚碳酸酯材料中不含有改性空心玻璃微珠，其他與實施例1相同，此處不再累述。

對比例6：

與實施例1的區別僅在於，該對比例改性聚碳酸酯材料在製備過程中不含有脫模劑，其他與實施例1相同，此處不再累述。

對上述實施例1-10及對比例1-6中製得的聚碳酸酯材料進行性能檢測，測試條件見表3，測試結果見表4。

表3：實施例1-10及對比例1-6中聚碳酸酯的性能測試條件

表4：實施例1-10及對比例1-6中聚碳酸酯的性能測試結果

與現有技術相比，本發明在聚碳酸酯基礎上，加入了納米碳管、導電炭黑以及納米高嶺土和改性空心玻璃微珠，既能夠發揮其複合作用，又能使各種成分相容，增強聚碳酸酯的作用。不僅成分配置合理，且採用特定的方法，從以上數據可以看出，改性後的聚碳酸酯導電性能強，同時兼具其他力學性能。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。